[논문]Piled Raft 기초의 비선형 하중-침하 특성을 고려한 하중분담 해석

최규진; 박동규; 이준환

doi:10.7843/kgs.2012.28.11.33

Piled Raft 기초의 비선형 하중-침하 특성을 고려한 하중분담 해석
Load Sharing Analysis of Piled Rafts Based on Non-linear Load-Settlement Characteristics 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.28 no.11, 2012년, pp.33 - 40

최규진 (연세대학교 토목환경공학과) , 박동규 (연세대학교 토목환경공학과) , 이준환 (연세대학교 토목환경공학과)

초록
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말뚝과 raft의 하중 분담 효과를 고려한 Piled Raft 기초의 설계는, 말뚝의 지지력만을 고려하여 설계하는 기존의 말뚝기초 설계 방식에 비해 경제적인 설계를 가능하게 해준다. 일반적으로 Piled Raft 기초 거동의 해석 및 설계는, 해석의 복잡성으로 인해 주로 컴퓨터를 이용한 수치 해석을 이용하고 있으며, 하중 분담 효과에 대한 해석 또한 개별적 상황에 따른 수치해석의 결과로 이루어진다. 본 연구에서는 기초 요소의 하중-침하 특성을 고려하여 Piled Raft 기초에서의 수직하중에 대한 raft와 말뚝의 하중 분담 효과를 평가할 수 있는 모델을 제안하고자 하였다. 기초의 비선형적 거동을 고려하여 말뚝과 raft의 거동을 각각 쌍곡선(hyperbolic curve) 형태의 정규화된 하중-침하 곡선(normalized load-settlement curve)으로 표현하고, 이를 통해 기초의 침하에 따른 말뚝과 raft의 하중 분담 정도를 평가할 수 있는 모델을 제시하였다. 또한 제시한 모델의 적용성을 평가하기 위하여 Piled Raft 기초에 대한 원심모형실험 결과와 비교하였다. 그 결과, 제시한 모델과 원심모형실험 결과로부터 나타난 침하에 따른 하중 분담률의 변화 양상이 전체적으로 유사한 형태를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The design of Piled Raft foundations considering the load sharing between raft and piles provides a more economical solution than the conventional design approach based on bearing capacity of piles only. Generally, numerical methods are used to analyze the behavior of Piled Rafts due to its complexity and load sharing ratio is also estimated by numerical methods about some limited cases under specific load level and soil conditions. In this study, a method to estimate the load sharing between the raft and piles was developed which is based on load-settlement characteristics of foundation elements. Normalized load-settlement curves of the raft and pile groups were derived individually, and the relationship between load sharing ratio and foundation settlement was proposed by using these curves. For each load-settlement curves, hyperbolic type was adopted in order to describe the non-linear behavior of foundations. Centrifuge test results were compared with the results from proposed method, and the trends of variation of load sharing ratio with settlement presented from both were similar.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

말뚝캡 혹은 raft의 하중 분담 효과를 고려한 Piled Raft 기초의 설계는 말뚝의 지지력만을 고려하는 기존의 말뚝기초 설계 방식에 비해 경제적인 기초 설계의 가능성을 제시해준다. 그러나 지반 조건의 다양성 및 기초의 복합적 거동 특성 등으로 인하여 이러한 하중 분담 효과를 정량적으로 규명하기에는 어려움이 존재하며, 따라서 하중 분담에 대한 연구는 대부분 수치해석을 통한 특수 조건 상황에서의 연구에 국한되어왔다.
그러나 지반 조건의 다양성 및 기초의 복합적 거동 특성 등으로 인하여 이러한 하중 분담 효과를 정량적으로 규명하기에는 어려움이 존재하며, 따라서 하중 분담에 대한 연구는 대부분 수치해석을 통한 특수 조건 상황에서의 연구에 국한되어왔다. 본 연구 에서는 raft 및 말뚝의 개별적 하중-침하 거동 특성을 이용하여 Piled Raft 기초에서의 수직하중에 대한 하중 분담률을 평가할 수 있는 방법을 제시하였다. Piled Raft 기초를 구성하는 raft 및 말뚝의 정규화된 하중-침하 곡선(normalized load-settlement curve)을 유도하였으며, 이를 통해 수직하중에 대한 말뚝의 하중 분담률을 산정할 수 있는 모델을 제시하였다.
본 연구에서는 Piled Raft 기초의 효율적 설계를 위해 각 기초 요소의 침하 거동을 고려한 하중 분담 해석 기법을 제시하고자 한다. 각 기초 요소의 비선형 거동을 반영하기 위하여 말뚝과 raft의 하중-침하 관계를 쌍곡선 함수(hyperbolic function)로 나타내었다.

가설 설정

이러한 영향을 반영하기 위해 식 (9)와 같이 단면적 감소 효과를 고려하였다. 또한 무리말뚝의 지지하중은 식 (10)과 같이 단일말뚝의 지지하중에 사용된 말뚝의 개수를 곱한 값으로 가정하였다.

제안 방법

본 연구 에서는 raft 및 말뚝의 개별적 하중-침하 거동 특성을 이용하여 Piled Raft 기초에서의 수직하중에 대한 하중 분담률을 평가할 수 있는 방법을 제시하였다. Piled Raft 기초를 구성하는 raft 및 말뚝의 정규화된 하중-침하 곡선(normalized load-settlement curve)을 유도하였으며, 이를 통해 수직하중에 대한 말뚝의 하중 분담률을 산정할 수 있는 모델을 제시하였다. 또한 각각의 하중-침하 곡선은 기초의 비선형적 거동을 고려하기 위하여 쌍곡선(hyperbolic curve) 형태로 표현하였다.
Piled Raft 기초를 구성하는 raft 및 말뚝의 정규화된 하중-침하 곡선(normalized load-settlement curve)을 유도하였으며, 이를 통해 수직하중에 대한 말뚝의 하중 분담률을 산정할 수 있는 모델을 제시하였다. 또한 각각의 하중-침하 곡선은 기초의 비선형적 거동을 고려하기 위하여 쌍곡선(hyperbolic curve) 형태로 표현하였다.
이러한 각 기초 요소의 하중-침하 곡선을 정규화된 하중-침하 곡선(normalized load-settlement curve)으로 나타내고, 이를 이용하여 기초의 침하량에 따른 말뚝과 raft의 하중 분담률을 평가할 수 있는 모델을 제시하였다. 또한 원심 모형실험 결과와의 비교를 통하여 본 연구에서 제시한 하중 분담률 산정 모델의 적용성을 평가하였다.
1과 같이 단순화된 형태로 나타내었다. 말뚝과 raft의 거동을 선형 탄성 거동으로 가정하고, 세 구간으로 이루어진 직선으로써 Piled Raft 기초의 하중-침하 곡선을 표현하였다. 원점으로부터 A까지의 구간에서는 기초에 작용하는 하중을 말뚝과 raft가 함께 분담하여 지지하며, 기초의 전체적인 거동은 탄성 거동을 유지한다.
각 기초 요소의 비선형 거동을 반영하기 위하여 말뚝과 raft의 하중-침하 관계를 쌍곡선 함수(hyperbolic function)로 나타내었다. 이러한 각 기초 요소의 하중-침하 곡선을 정규화된 하중-침하 곡선(normalized load-settlement curve)으로 나타내고, 이를 이용하여 기초의 침하량에 따른 말뚝과 raft의 하중 분담률을 평가할 수 있는 모델을 제시하였다. 또한 원심 모형실험 결과와의 비교를 통하여 본 연구에서 제시한 하중 분담률 산정 모델의 적용성을 평가하였다.

대상 데이터

7과 Table 1에 실험의 개요 및 실험 조건을 나타내었다. 여기서 비교를 위해 인용한 자료는 모두 배토말뚝(displacement pile)을 이용하여 설치된 Piled Raft 기초를 대상으로 하였다.

데이터처리

식 (11)로서 제시한 말뚝의 하중 분담률 산정 모델의 적용성을 평가하기 위하여 Giretti(2010)의 원심모형실험 결과와 비교하였다. Giretti(2010)는 모형토조를 이용한 원심모형실험을 수행하여 사질토 지반에서 말뚝으로 지지된 원형기초의 거동을 분석하였으며, Fig.

이론/모형

본 연구에서는 Piled Raft 기초의 효율적 설계를 위해 각 기초 요소의 침하 거동을 고려한 하중 분담 해석 기법을 제시하고자 한다. 각 기초 요소의 비선형 거동을 반영하기 위하여 말뚝과 raft의 하중-침하 관계를 쌍곡선 함수(hyperbolic function)로 나타내었다. 이러한 각 기초 요소의 하중-침하 곡선을 정규화된 하중-침하 곡선(normalized load-settlement curve)으로 나타내고, 이를 이용하여 기초의 침하량에 따른 말뚝과 raft의 하중 분담률을 평가할 수 있는 모델을 제시하였다.
Akbas and Kulhawy(2009)는 37개소 사질토 지역에서 수행한 125개의 raft 기초 현장 재하시험 자료를 바탕으로 수직하중에 대한 raft 기초의 거동 특성을 분석하였으며, 쌍곡선 함수를 이용하여 정규화된 형태의 하중-침하 곡선(normalized load-settlement curve)을 제시하였다. 본 연구에서는 Akbas and Kulhawy(2009)의 쌍곡선 함수를 토대로 다음과 같은 수정 쌍곡선 함수를 도출 하였다.

성능/효과

실험 결과와 제안 모델로부터 구한 하중 분담률의 산정 결과를 비교한 결과, 기초의 침하에 따른 하중 분담률의 변화 양상은 전체적으로 비슷한 경향을 보였으나, 제안 모델을 이용하여 산정한 말뚝의 하중 분담률이 실험 결과에 비해 작게 나타났다. 그 이유로는 첫째, 제안 모델에서 이용한 곡선계수의 값과 실험으로부터 나타난 곡선계수 값의 차이를 들 수 있다.
원심모형실험 결과와 제안 모델로부터 산정된 기초의 침하에 따른 말뚝의 하중 분담률을 비교한 결과, 두 경우 모두 기초의 침하가 증가할수록 말뚝의 하중 분담률은 감소하는 경향을 보였으며, 전체적으로 제안 모델을 이용하여 산정한 말뚝의 하중 분담률이 실험 결과에 비해 작게 나타났다. 그 이유는 제안 모델에서 가정한 곡선계수의 값과 실험으로부터 나타난 곡선계수 값의 차이로 인해 하중 분담률 산정에 있어서도 차이가 발생하기 때문이다.
6에서와 같이 하중 분담률 산정에도 영향을 미친다. 제안 모델의 경우 a*와 b*의 값을 앞에서 제시한 평균값을 이용하였으나, 원심모형실험 결과로부터 나타난 raft의 거동은 큰 침하량에 도달할 때까지 탄성에 가까운 거동을 보였으며, 따라서 raft의 지지력 증가 비율이 상대적으로 작게 나타났다. 이는 곧 실험으로부터 나타난 a*값이 제시한 평균값에 비해 큰 값을 가진다는 것을 의미한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Piled Raft 기초를 이미 적용하고 있는 국가는?	최근 보다 경제적인 기초 설계에 대한 수요 및 관심이 증가함에 따라, 구조물의 침하를 일정 수준 허용하며 raft와 말뚝의 지지 성능을 최대로 발휘할 수 있도록 하는 새로운 설계 개념의 Piled Raft 기초에 대한 연구가 국내외에서 진행되어왔다. 이미 독일, 이탈리아 등 유럽 지역에서는 고층 빌딩 등의 구조물에 이러한 형식의 Piled Raft 기초를 적용함으로써 그 성공 사례가 보고되었으며(Katzenbach et al., 2000; de Sanctis and Russo, 2008), 호주 및 일본에서도 다양한 연구 및 시공 관측 사례가 발표되고 있다(Horikoshi and Randolph, 1996; Poulos, 2001; Yamashita et al.
	기존의 말뚝기초 설계는 어떠했는가?	기존의 말뚝기초 설계는 주로 말뚝의 극한지지력 및허용지지력을 고려하여 이루어져왔으며, 이는 구조물의 침하를 필요 수준 이상으로 제어하거나, 말뚝캡 혹은 저면부의 지지력이 전혀 반영되지 않는 등 과다설계의 가능성도 포함하고 있다. 최근 보다 경제적인 기초 설계에 대한 수요 및 관심이 증가함에 따라, 구조물의 침하를 일정 수준 허용하며 raft와 말뚝의 지지 성능을 최대로 발휘할 수 있도록 하는 새로운 설계 개념의 Piled Raft 기초에 대한 연구가 국내외에서 진행되어왔다.
	국내에서 Piled Raft 기초를 적용한 사례는?	, 2005; Lee and Jeong, 2007; Park et al., 2009), 최근 경남 김해 지역의 연약지반 위에 시공된 철도제방에 Piled Raft 기초가 이용된 사례가 발표되었다(Kim et al., 2011).

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